由分子而来的材料

空间旅行最困难的部分（除了无聊和危险以外）在于出发。在虚空的空间中，没有太强的引力作用，一次小幅的推进就能使火箭移动几乎无穷远。因此，火箭装载的大部分燃料仅仅是用于让火箭逃离地球的引力。这些燃料和燃烧它们的发动机就占据了火箭总重的大半。我还清楚地记得，“阿波罗号”在离开地球时高大得像座耀眼的大厦，返回来时却小得像鼻尖似的。

因此，要是我们可以从地球的大气层外发射飞船，那负荷就能大大减少了。亚瑟·C.克拉克在小说《天堂的喷泉》里提到过有可能怎样实现。他设想了一种空间电梯：在对地静止的卫星轨道上置一平台，然后用超强的长缆绳将它与地面连在一起。空间设备和乘客首先通过穿梭电梯从地面输送到平台上，然后从平台发射到太空中，这样所需的燃料比起从地面发射就只是一小部分了。

要把绕地运行的平台与地表相连接，我们就需要特别强劲的缆绳，比现今已有的任何一种东西都要强劲得多。这种缆绳还要很轻，要是用普通钢缆就太重了。

其实，要解释我们为何需要具备结实、强韧、耐腐蚀、轻便等特性的材料，并不非得借助于空间电梯这种幻想的概念。但这样的情景能够激发我们思考，到底可以将材料的特性推进到何种程度。我们还可以考虑将超强劲“空间绳索”用于太空发射，先把载荷用缆绳连到绕地卫星上，然后像弹弓一样发射出去。这样的绳索要又轻又结实。即便是在非常普通的需求中，结实的缆绳也求之不得：比如悬吊桥梁，以及在海底固定钻井机。

然而，强韧纤维一直都在我们身边，我们很幸运地接受了大自然大量的馈赠：丝、麻、木材、毛发。在革命前的俄国，人们用蚕丝来防弹。如今为了相同的目的，人们研发出了人造蚕丝。

塑料时代正式开始于20世纪初，这个时代除自然纤维以外，人们又有了合成纤维作为补充，它既有优点也有缺点。最初的塑料是在不断地试错中发明出来的；现代的塑料与此相反，是依据应用场景从分子层面设计出来的。这一章将从分子的视角来看材料，我会把讨论内容同时集中在自然纤维和人造纤维上，因为它们提供了特别美丽且图像化的例子来说明，分子结构如何影响工程师所忧心的材料特性。

不过分子科学和材料工程的互动远比这小小一面要广泛得多。人们可以设计分子，让它们转化为超硬的耐高温陶瓷材料。航天工程、轮机制造和发电中会用到这种材料。人们还可以设计分子材料（尤其是聚合物材料），让它们导电，捕获、传输及转化光脉冲，过滤其他分子，或者保护界面不受污染和侵蚀。其中包括根据环境自动发生变化的“智能”材料，可以用作自动的开关、阀门或者泵。分子材料在医学方面的影响更是举足轻重，而且在未来还会日益强大：它为我们提供了义肢、人造器官和组织、药物控制系统、可生物降解的手术缝线，以及监测身体健康状况的传感器。未来有可能分子工程会培育出新的肾脏或心脏，用来移植以取代损坏的脏器。